Première · Chapitre 14

Ondes mécaniques

Entraîne-toi par niveau (★ à ★★★), puis attaque les sujets type bac. Chaque correction se dévoile question par question.

Exercices d'entraînement

Entraînement

De l'éclair au tonnerre

0/2

Énoncé

Pendant un orage, un observateur voit l'éclair puis entend le tonnerre 5,0 s plus tard. On admet que la lumière de l'éclair arrive instantanément.

•Célérité du son dans l'air : v = 340 m·s⁻¹
•d = v × Δt

Rappeler pourquoi le son est une onde mécanique et pourquoi il ne se propage pas dans le vide.

Calculer la distance d entre l'observateur et le point de chute de la foudre.

Entraînement

Transversale ou longitudinale ?

0/2

Énoncé

On observe trois ondes mécaniques : une vague à la surface de l'eau, le son dans l'air et la perturbation le long d'un ressort que l'on comprime puis relâche.

•Onde transversale : la perturbation est perpendiculaire à la direction de propagation
•Onde longitudinale : la perturbation est parallèle à la direction de propagation

Classer les trois ondes citées en transversales ou longitudinales. Justifier.

Un bouchon flotte sur l'eau au passage d'une vague. Décrire son mouvement et expliquer pourquoi il ne se déplace pas avec la vague.

Entraînement

Lire une période sur un oscillogramme

0/2

Énoncé

Un microphone relié à un oscilloscope enregistre un son pur. Sur l'écran, on compte 6 motifs identiques (6 périodes) sur une durée totale de 18 ms.

•f = 1 / T

Pourquoi est-il plus précis de mesurer plusieurs périodes plutôt qu'une seule ?

Calculer la période T du son, puis sa fréquence f.

Entraînement

Une même fréquence, deux longueurs d'onde

0/2

Énoncé

Un haut-parleur immergé émet un son de fréquence f = 1,0 kHz, à la fois dans l'air et dans l'eau.

•Célérité du son dans l'air : vair = 340 m·s⁻¹
•Célérité du son dans l'eau : veau = 1500 m·s⁻¹
•λ = v / f

La fréquence du son change-t-elle en passant de l'air à l'eau ? Justifier.

Calculer la longueur d'onde du son dans l'air puis dans l'eau. Commenter.

Entraînement

Le détecteur d'obstacle d'un robot

0/3

Énoncé

Un robot mobile émet un signal ultrasonore de fréquence 40 kHz dans l'air. Il détecte l'écho sur un mur 6,0 ms après l'émission.

•Célérité du son dans l'air : v = 340 m·s⁻¹
•Pour un écho, l'onde fait un aller-retour : d = v × Δt / 2

Pourquoi faut-il diviser par 2 dans la relation donnant la distance au mur ?

Calculer la distance d entre le robot et le mur.

Calculer la longueur d'onde du signal émis. Est-il audible par l'être humain ?

Entraînement

Mesurer la houle avec deux bouées

0/2

Énoncé

Deux bouées de mesure sont espacées de d = 30 m sur la trajectoire d'une houle. Le passage d'une même crête entre les deux bouées est retardé de Δt = 5,0 s. La période mesurée par une bouée est T = 8,0 s.

•v = d / Δt
•λ = v × T

Calculer la célérité v de la houle.

En déduire la longueur d'onde de la houle.

Entraînement

Vibration d'une corde de guitare

0/2

Énoncé

Une corde de guitare pincée émet un son dont l'oscillogramme montre 4 périodes sur une durée de 8,0 ms. La vibration se propage aussi le long de la corde elle-même, à la célérité vcorde = 120 m·s⁻¹.

•Célérité du son dans l'air : vair = 340 m·s⁻¹
•T = durée / nombre de périodes
•λ = v × T

Calculer la période T, puis la fréquence f du son émis.

Calculer la longueur d'onde du son dans l'air puis celle de la vibration le long de la corde.

Entraînement

Principe physique de l'échographie médicale

0/4

Énoncé

Une sonde d'échographie émet des ultrasons de fréquence f = 3,5 MHz dans les tissus mous du corps humain, où leur célérité vaut v = 1540 m·s⁻¹. L'écho renvoyé par un organe situé à une profondeur de 8,0 cm est détecté par la sonde.

•v = 1540 m·s⁻¹ (tissus mous)
•Écho : aller-retour, d = v × Δt / 2
•λ = v / f

Calculer la longueur d'onde des ultrasons utilisés dans les tissus.

Calculer la durée Δt séparant l'émission du signal et la réception de l'écho sur cet organe.

L'appareil doit distinguer deux organes séparés de seulement 0,20 mm. Est-ce possible avec ces ultrasons ? Justifier.

Pourquoi utilise-t-on des ultrasons de plusieurs mégahertz plutôt que des sons audibles pour l'échographie ?

Sujets type bac

Sujets originaux au format du bac, inspirés des annales de Labolycée .

Type bac

Type bac — L'écholocation chez le dauphin

0/5

Énoncé

Les dauphins émettent des clics ultrasonores pour se déplacer et détecter leurs proies dans l'eau, un phénomène appelé écholocation. Un dauphin émet un clic de fréquence f = 120 kHz en direction d'un banc de poissons ; l'écho revient 40 ms après l'émission.

•Célérité du son dans l'eau de mer : veau = 1500 m·s⁻¹
•Pour un écho, distance parcourue = 2d
•Domaine audible humain : 20 Hz – 20 kHz

1. Justifier que le clic émis par le dauphin est un ultrason.

2. Calculer la longueur d'onde de ce clic dans l'eau de mer.

3. Calculer la distance d séparant le dauphin du banc de poissons.

4. Un petit crustacé mesure 5,0 mm. Expliquer pourquoi le dauphin ne peut pas le détecter avec ce même clic.

5. Pour détecter ce crustacé, le dauphin devrait-il augmenter ou diminuer la fréquence de son clic ? Justifier.

Type bac

Type bac — Localiser l'épicentre d'un séisme

0/5

Énoncé

Un séisme émet deux types d'ondes mécaniques qui se propagent dans la croûte terrestre à des célérités différentes : les ondes P (primaires, plus rapides) et les ondes S (secondaires, plus lentes). Une station sismologique enregistre l'arrivée des ondes S exactement 40,0 s après celle des ondes P.

•Célérité des ondes P : vP = 6,00 km·s⁻¹
•Célérité des ondes S : vS = 3,50 km·s⁻¹
•d : distance station – épicentre (identique pour les deux ondes)

1. Exprimer les durées de trajet tP et tS des ondes P et S en fonction de la distance d à l'épicentre.

2. Exprimer le retard Δt = tS − tP en fonction de d, vP et vS.

3. Calculer la distance d séparant la station de l'épicentre.

4. Une seule station permet-elle de localiser précisément l'épicentre sur une carte ? Expliquer.

5. Les ondes P sont longitudinales et les ondes S sont transversales. Rappeler la différence entre ces deux types d'ondes.